秩一矩阵 8 大性质
本文系统总结秩一矩阵 8 大性质,并给出详细证明。同时用一道考研真题来展示秩一矩阵的巧妙应用。
首先给出秩一矩阵的 8 大性质:
秩一矩阵 8 大性质
- \(r(A)=1\)
- 各行(列)成比例
- 可以分解为:\(A=\alpha\cdot \beta^{T}\),其中 \(\alpha,\beta\) 均为 \(n\) 维非零列向量
- \(tr(A)=\beta^{T}\alpha\),即 \(A\) 的迹等于两个向量的内积
- \(k\) 次幂:\(A^{k}=[tr(A)]^{k-1}A\)
- 特征值:1 个 \(tr(A)\) 和 \(n-1\) 个 0
- \(\alpha\) 是特征值 \(tr(A)\) 对应的特征向量,而特征值 0 对应的特征向量是与 \(\beta^{T}\) 正交的向量
- 如果 \(tr(A)\neq0\),则可以对角化;反之则不能
注:以下证明均假设 \(A\) 为一个 \(n \times n\) 的方阵。
前三条性质实际上是秩一矩阵的定义及最直接的等价形式。我以性质 1 为起点进行推导。
性质 1 ¶
性质 1
\(r(A) = 1\)
这是秩一矩阵的直接定义。矩阵 \(A\) 的秩等于 1,意味着矩阵中最大线性无关行(或列)的向量组中只包含 1 个向量。
性质 2 ¶
性质 2
各行(列)成比例
由于 \(r(A) = 1\),说明矩阵的列秩为 1。这意味着矩阵所有的列向量都可以由某一个非零的列向量线性表出。
将矩阵列分块得:\(A = (\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n)\),其中必存在一个非零列向量 \(\alpha_k\),对于任意一列 \(\alpha_j\),都存在常数 \(k_j\),使得 \(\alpha_j = k_j \alpha_k\)。因此,矩阵的所有列向量成比例。
同理,行秩也为 1,矩阵的所有行向量也都与某一个非零行向量成比例。
性质 3 ¶
性质 3
\(A\) 可以分解为:\(A=\alpha\cdot \beta^{T}\),其中 \(\alpha,\beta\) 均为 \(n\) 维非零列向量
根据性质 2,设 \(A\) 的列向量都与某个非零列向量 \(\alpha\) 成比例。
那么 \(A\) 的每一列可以写为 \(\beta_1 \alpha, \beta_2 \alpha, \dots, \beta_n \alpha\)。
将其写成矩阵乘法的形式:
由于 \(r(A) = 1 \neq 0\),所以 \(\alpha\) 必须是非零向量,且 \((\beta_1, \beta_2, \dots, \beta_n)\) 也不能全为 0,即 \(\beta\) 也是非零列向量。
后续的性质我们可以直接基于性质 3 的分解形式 \(A = \alpha \beta^T\) 来推导,这将大大简化计算。
性质 4 ¶
性质 4
\(tr(A)=\beta^{T}\alpha\),即 \(A\) 的迹等于两个向量的内积
设 \(\alpha = (\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n)^T\),\(\beta = (\beta_1, \beta_2, \dots, \beta_n)^T\)。
则矩阵 \(A = \alpha \beta^T\) 的第 \(i\) 行第 \(j\) 列的元素为 \(a_{ij} = \alpha_i \beta_j\)。
矩阵的主对角线元素为 \(a_{ii} = \alpha_i \beta_i\)。
根据矩阵迹的定义(主对角线元素之和
而向量的内积 \(\beta^T \alpha\) 的计算结果也是 \(\displaystyle\sum_{i=1}^n \beta_i \alpha_i\)。
因此,\(tr(A) = \beta^T \alpha\)。
性质 5 ¶
性质 5
\(k\) 次幂:\(A^{k}=[tr(A)]^{k-1}A\)
先计算 \(A^2\):
因为 \(\beta^T \alpha\) 是两个向量的内积,是一个实数(标量
使用数学归纳法。假设 \(A^{k-1} = [tr(A)]^{k-2} A\) 成立,则:
得证。
接下来的性质证明展示了秩一矩阵在特征空间上的特殊结构。
性质 6、7¶
性质 6
特征值:1 个 \(tr(A)\) 和 \(n-1\) 个 \(0\)
性质 7
\(\alpha\) 是特征值 \(tr(A)\) 对应的特征向量,而特征值 0 对应的特征向量是与 \(\beta^T\) 正交的向量
首先,考察向量 \(\alpha\) 是否为特征向量:
由于 \(\beta^T \alpha\) 是一个常数且等于 \(tr(A)\),且 \(\alpha\) 是非零向量,所以:
这证明了 \(tr(A)\) 是矩阵 \(A\) 的一个特征值,且 \(\alpha\) 是其对应的特征向量。
其次,考察特征值 \(0\) 对应的特征向量,即求解齐次线性方程组 \(Ax = 0\):
因为 \(\alpha\) 是非零向量,要使等式成立,必须有标量 \(\beta^T x = 0\)。
\(\beta^T x = 0\) 意味着向量 \(x\) 必须与向量 \(\beta\) 正交。
这个方程构成的解空间(即 \(A\) 的零空间)的维度是 \(n - r(\beta^T)\)。因为 \(\beta\) 是非零向量,\(r(\beta^T) = 1\),所以解空间的维度为 \(n - 1\)。
这意味着存在 \(n - 1\) 个线性无关的特征向量满足 \(Ax = 0 x\)。
因此,特征值 \(0\) 的几何重数为 \(n - 1\) ,其代数重数至少为 \(n-1\)。
由于 \(n\) 阶方阵共有 \(n\) 个特征值,我们已经找到了 1 个 \(tr(A)\) 和 \(n-1\) 个 \(0\)。得证。
性质 8 ¶
性质 8
如果 \(tr(A) \neq 0\),则可以对角化;反之则不能
一个 \(n\) 阶方阵可以对角化的充要条件是:它的所有特征值的几何重数之和等于 \(n\)(即每个特征值的代数重数等于几何重数
-
当 \(tr(A) \neq 0\) 时:
矩阵有两个不同的特征值:\(\lambda_1 = tr(A)\) 和 \(\lambda_2 = 0\)。
\(\lambda_1 = tr(A)\) 对应的特征向量为 \(\alpha\),几何重数至少为 1;
\(\lambda_2 = 0\) 对应的特征向量空间维度(几何重数)为 \(n - 1\)。
几何重数之和为 \(1 + (n - 1) = n\)。因此矩阵有 \(n\) 个线性无关的特征向量,可以对角化。
-
当 \(tr(A) = 0\) 时:
此时矩阵的特征值全部为 \(0\)(1 个 \(tr(A)=0\),加上 \(n-1\) 个 \(0\)
) ,特征值 \(0\) 的代数重数为 \(n\)。然而,求解方程组 \((A - 0I)x = 0\) 即 \(Ax = 0\),由前面的证明可知,其基础解系仅包含 \(n - r(A) = n - 1\) 个线性无关的向量。
因为特征值 \(0\) 的几何重数 \((n - 1)\) 小于其代数重数 \(n\),所以矩阵不能对角化。
例题 ¶
Example
设有齐次线性方程组:
其中 \(n\geqslant 2\),试问 \(a\) 取何值时,该方程组有非零解,并求出其通解。
方法 1 ¶
首先我们来看常规方法,通过观察,我们发现每一个方程都含有如下这个结构:
那么原方程的第 \(i\) 个方程就可以记为:\(iS+ax_{i}=0\).
然后我们对这 \(n\) 个方程进行累加,得:
Case 1:当 \(a= -\dfrac{n(n+1)}{2}\) 时,代回到 \(iS+ax_{i}=0\) 得到:
因此通解为:
其中 \(k\) 为任意常数 .
Case 2:当 \(a\neq -\dfrac{n(n+1)}{2}\) 时,则有 \(S=0\),代回到 \(iS+ax_{i}=0\) 得到:\(ax_{i}=0\).
由于要求方程组的非零解,因此要使得上式恒成立,只能有 \(a=0\).
那么此时方程组退化为:
由解空间维度公式可得:方程组的解空间维度为:\(n-r(A)=n-1\),所以通解为:
其中 \(k_{1},k_{2},\dots,k_{n-1}\) 均为任意常数。
方法 2 ¶
我们首先记系数矩阵为 \(A\),则根据方程组结构的特殊性,我们容易注意到如下一个拆分:
所以原方程组等价为:\((aI+\alpha\cdot\beta^{T})x=0\).
移项得到:\(a\beta^{T}x=-ax\),这不就是特征值的定义吗?!
因此我们只需要解出矩阵 \(\alpha\beta^{T}\) 的特征值 (\(a\)) 和特征向量 (\(x\)) 不就结束了吗!
根据前文介绍的性质 6我们知道矩阵 \(B\triangleq \alpha\beta^{T}\) 的特征值为 1 个 \(tr(B)=\dfrac{n(n+1)}{2}\) 和 \(n-1\) 个 0;并且根据性质 7我们还能得出特征值 \(tr(B)=\dfrac{n(n+1)}{2}\) 对应的特征向量为 \(\alpha\),即 \((1,2,\dots,n)^{T}\);特征值 0 对应的特征向量是和 \(\beta^{T}\) 正交的向量,也就是满足方程 \(x_{1}+x_{2}+\dots+x_{n}=0\) 的向量 \(x\).
整理以下上面得到的结论,根据 \(a\beta^{T}x=-ax\) 我们知道 \(-a\) 就是矩阵 \(\alpha\beta^{T}\) 的特征值,因此最终的答案分为如下两个情况:
- 当特征值 \(-a= \dfrac{n(n+1)}{2}\) 时,特征向量(也就是原方程组的解)为 \(x=\alpha\),因此通解为:
- 当特征值 \(-a= 0\) 时,特征向量(也就是原方程组的解)是和 \(\beta^{T}\) 正交的向量,因此通解为:
其中 \(k,k_{1},k_{2},\dots,k_{n-1}\) 均为任意常数。
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